氮化硅陶瓷滾子軸承的高速性能試驗(yàn)

李鴻亮，張占立，李建華，王玉飛

(1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039;3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471039;4.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)滾動(dòng)軸承高速性能的要求也越來(lái)越高，為了改善特殊工況用軸承的高速性能，應(yīng)用氮化硅陶瓷材料制造滾動(dòng)體和其他零件已成為首選，這主要得益于氮化硅陶瓷較低的密度，優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和高溫(1 300 ℃)化學(xué)穩(wěn)定性[1]。裝有氮化硅陶瓷球的混合陶瓷球軸承已大量應(yīng)用于高速機(jī)床、燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪增壓器等高速結(jié)構(gòu)中，但氮化硅陶瓷滾子比球的加工工藝復(fù)雜，故混合陶瓷滾子軸承的性能仍在試驗(yàn)研究中[2]。

下文通過(guò)對(duì)混合陶瓷滾子軸承和鋼滾子軸承進(jìn)行高速試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證2種軸承的高速性能。

1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)軸承型號(hào)為NU208，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。套圈材料為8Cr4Mo4V，保持架材料為鋁青銅，滾子材料分別為8Cr4Mo4V和氮化硅，2種材料的性能見表1，軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)見表2。

圖1 NU208滾子軸承結(jié)構(gòu)圖

表1 滾子的材料性能

表2 NU208滾子軸承主要參數(shù)

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為簡(jiǎn)支梁高溫高速試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—軸向加載；2—徑向加載；3—試驗(yàn)軸承；4—支承軸承；5—聯(lián)軸器；6—電主軸

試驗(yàn)軸承安裝于軸系中間，2個(gè)支點(diǎn)端為輔助軸承；電主軸通過(guò)柔性聯(lián)軸器與試驗(yàn)主軸相連拖動(dòng)軸系高速旋轉(zhuǎn)；徑向載荷由徑向加載活塞通過(guò)加載套直接施加于試驗(yàn)軸承外圈上；在試驗(yàn)軸承兩側(cè)有2只噴油嘴進(jìn)行高溫噴油潤(rùn)滑，輔助軸承通過(guò)中間2只噴油嘴旁路孔噴油潤(rùn)滑。

3 試驗(yàn)

隨機(jī)選取混合陶瓷滾子軸承和鋼滾子軸承各1套進(jìn)行高速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)用潤(rùn)滑油為長(zhǎng)城牌4010合成航空潤(rùn)滑油。每套軸承試驗(yàn)前跑合30 min，跑合試驗(yàn)程序見表3。軸承高速試驗(yàn)程序見表4,供油溫度為(150±5)℃。

表3 軸承跑合試驗(yàn)程序

鋼滾子軸承在轉(zhuǎn)速達(dá)到51 000 r/min時(shí)，外圈溫度191 ℃、溫升約45 ℃，主機(jī)電流達(dá)15.1 A，其值超過(guò)電主軸許用電流報(bào)警停機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程中外圈溫度曲線如圖3所示。

表4 軸承高速試驗(yàn)程序

圖3 鋼滾子軸承外圈溫度隨轉(zhuǎn)速變化情況

混合陶瓷滾子軸承在轉(zhuǎn)速達(dá)到51 000 r/min時(shí)，外圈溫度164 ℃、溫升約19 ℃，主機(jī)電流10.7 A。繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，最終升至轉(zhuǎn)速62 500 r/min，軸承外圈溫度約190 ℃、溫升約44 ℃，主機(jī)電流達(dá)14 A，超出驅(qū)動(dòng)電主軸的轉(zhuǎn)速范圍，終止試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速62 500 r/min時(shí)陶瓷滾子軸承外圈溫度曲線如圖4所示。

圖4 陶瓷滾子軸承62 500 r/min時(shí)外圈溫度隨時(shí)間變化情況

試驗(yàn)后2套軸承手動(dòng)旋轉(zhuǎn)靈活、無(wú)滯點(diǎn)；各零件表面外觀完好，呈淺黃色；軸承內(nèi)、外圈滾道受力區(qū)磨痕均勻，位置正常，其中混合陶瓷滾子軸承內(nèi)滾道受力區(qū)磨痕變色較深；保持架引導(dǎo)面、兜孔磨痕正常，鍍銀層磨損正常，無(wú)基體露出以及起泡、起層等現(xiàn)象；滾子表面光滑無(wú)異常。試驗(yàn)后鋼滾子軸承外觀形貌如圖5所示，檢測(cè)結(jié)果表明:軸承的尺寸精度、旋轉(zhuǎn)精度及游隙等指標(biāo)變化不大;陶瓷滾子軸承各項(xiàng)精度指標(biāo)仍在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；由于潤(rùn)滑油碳化，鋼滾子軸承除徑向游隙減小了0.003 mm，其他精度指標(biāo)仍在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

圖5 試驗(yàn)后鋼滾子軸承零件外觀形貌

綜上所述可知，試驗(yàn)后2套軸承旋轉(zhuǎn)靈活、精度變化不大、各零件外觀無(wú)異常，這說(shuō)明若試驗(yàn)主軸驅(qū)動(dòng)功率足夠大,陶瓷滾子軸承轉(zhuǎn)速可超過(guò)62 500 r/min;2套軸承均可在51 000 r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)陶瓷滾子軸承試驗(yàn)電主軸的電流為鋼滾子軸承的70.8%，陶瓷滾子軸承外圈溫升為鋼滾子軸承的42.2%；軸承外圈溫度約190 ℃時(shí)，陶瓷滾子軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)62 500 r/min，鋼滾子軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為51 000 r/min，此時(shí)陶瓷滾子軸承試驗(yàn)電主軸的電流為鋼滾子軸承的92.7%。這是由于陶瓷滾子的密度較低、導(dǎo)熱系數(shù)小和陶瓷滾子與鋼滾道的摩擦因數(shù)小等，所以陶瓷滾子離心力小，軸承摩擦發(fā)熱少、溫升較低。

圖6 試驗(yàn)后陶瓷滾子軸承零件外觀形貌

4 結(jié)論

1)當(dāng)主軸驅(qū)動(dòng)功率足夠大時(shí)，鋼滾子NU208軸承的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速可達(dá)51 000 r/min，陶瓷滾子NU208軸承的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速比62 500 r/min還要高，dm·n值可達(dá)2.5×106mm·r/min以上。

2)當(dāng)軸承外圈溫升為45 ℃時(shí)，陶瓷滾子軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為鋼滾子軸承的1.2倍，且陶瓷滾子軸承試驗(yàn)電主軸的電流為鋼滾子軸承的92.7%，表明混合陶瓷滾子軸承的高速性能優(yōu)于全鋼滾子軸承。

3)當(dāng)軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為51 000 r/min時(shí)，陶瓷滾子軸承驅(qū)動(dòng)電主軸電流僅為鋼滾子軸承的70.8%，且陶瓷滾子軸承外圈溫升為鋼滾子軸承的42.2%，表明陶瓷滾子軸承功率消耗更小。